[논문]고해상도 해양순환모형을 이용한 씨프린스호 유류유출 사고 수치실험

김예솔; 이호진; 정경태; 박재훈; 이현정

doi:10.4217/opr.2012.34.3.337

고해상도 해양순환모형을 이용한 씨프린스호 유류유출 사고 수치실험
Numerical Experiment on Sea Prince Oil Spill Incident Using a High Resolution Ocean Circulation Model 원문보기

Ocean and polar research, v.34 no.3, 2012년, pp.337 - 348

김예솔 (한국해양대학교 대학원 해양생명환경학과) , 이호진 (한국해양대학교 대학원 해양생명환경학과) , 정경태 (한국해양과학기술원 해양환경보전연구부) , 박재훈 (한국해양과학기술원 해양환경보전연구부) , 이현정 (한국해양과학기술원 부설 극지연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the effects of tide, wind and oceanic currents on oil spill dispersions through a series of numerical floats tracking experiments on the Sea Prince oil spill incident occurred in 1995 using a 3-dimensional high resolution ocean circulation model. For that, a total of four experimental cases (experiment with tide, wind and oceanic currents, experiment with tide and oceanic currents, experiment with wind and oceanic currents, and experiment with tide and wind) were compared. It could be seen that results from experiment involving all external forces showed better agreement with the observed pattern of oil slick movement than other cases. The oceanic currents acted to drive floats to move to the western channel of the Korea straits and wind accelerated the eastward movement of floats in the early stage of the incident. Tidal currents played significant role in the horizontal dispersion of floats.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2장에서는 모델에 사용된 입력자료 및 경계조건에 대하여 기술하고, 3장에서는 모델 안정화 결과 및 실시간 대기자료를 이용한 씨프린스호 사고 당시 해수유동 및 부표추적 계산 결과를 소개한다. 동시에 해류, 조류 및 바람에 의한 취송류 등의 각 성분이 부표의 이동 및 확산에 미치는 영향을 검토한다.
1997). 본 연구에서는 1995년 발생한 씨프린스호 사고를 대상으로 바람 및 조석뿐만 아니라 해류를 동시에 포함하는 3차원 고해상도 복합 해양순환 모델링을 수행하고 수치 부표추적 계산을 통해 바람 및 조석, 해류 각각의 성분이 유류확산 및 이동에 미치는 영향을 고찰한다. 연구대상 해역인 남해와 대한해협부근은 조류와 해류가 거의 같은 크기로 존재하는 해역으로 복합 해양순환 모델링의 효과를 검토하는데 있어 적절한 해역이라 할 수 있다.
따라서 보다 정확한 유출유의 확산 분포를 재현하기 위해서는 입자 추적 계산 시 해수유동 등 물리적 요인 외에, 화학적 작용 및 생물학적 작용 등에 의한 유출유의 특성 변화 및 소멸 등을 포함해야 한다. 본 연구에서는 이러한 효과를 포함하지 않고 단순히 투입된 입자가 해수유동에 의해 이동되고 확산되는 양상을 파악하였다. 따라서 화학적 풍화작용에 따른 유출 유류의 특성 변화까지 고려할 수 있는 입자 추적 계산 방법을 도입하여 유류 확산 예측 연구에 적용하는 것이 향후 수행할 후속 연구과제이다.

가설 설정

는 난류와 같은 무작위운동에 의한 연직방향의 이동량을 나타내는 것으로 연직 확산에 의한 부표 이동을 의미한다. 본 연구에서는 연직 확산에 의한 부표의 이동은 고려하지 않았으며 해수유동 모델에 의해 계산된 유속에 의해서만 이동된다고 가정하였다. 식 (1)은 fourth-order Milne predictor-Hamming corrector scheme(Abramowitz and Stegun 1964; Hamming 1973)에 의해 수치 적분된다.

제안 방법

1995년 7월 1일부터 8월 31일까지 3시간 간격의 실시간 WRF(Weather Research and Forecasting) 대기모델 자료를 이용하여 씨프린스호 사고 당시의 해수유동을 모사하였고 부표추적을 통하여 유출유의 이동확산 분포를 계산하였다. 유출유의 이동 및 확산에 미치는 영향을 알아보기 위하여 외력으로 해류 및 조석, 바람을 모두 고려한 경우(CASE CTW)와 해류와 조석(CASE CT), 해류와 바람(CASE CW), 조석과 바람(CASE TW)만을 포함하는 총 4가지 경우를 계산하였다.
본 연구에서는 3차원 고해상도 해양순환모델을 이용하여 1995년 발생한 씨프린스호 사고 당시의 남해의 해양순환을 모사하고 부표추적을 통하여 유출유의 이동양상을 재현하였다. 더불어 각각 다른 외력을 고려하는 방법으로 바람 및 조류, 해류가 유출유의 이동 및 확산에 미치는 영향을 검토하였다.
이 사고로 인하여 5,035톤의 기름이 유출되었으며 7월 25일 오후 3시 30분이 지나서야 사고해역 주변에 오일펜스가 설치되어 사고 선박으로부터의 기름유출을 통제 한 것으로 보고되었다(해양수산부 2002). 따라서 약 48시간 동안 기름이 유출되었다고 추정할 수 있으며 본 연구에서는 총 3200개의 부표를 48시간동안 연속적으로 투하하였다.
org/ftp/outgoing/static/ocn/gdem/)의 해표면 염분 자료를 복원(restoring)하는 방법으로 모델 결과를 보정하며 복원시간 간격은 30일 이다. 모델은 안정화(spin up)를 위해 월평균 대기자료를 이용해 5년 6개월 간 시간 적분 되었으며 이 후 씨프린스호 사고 당시인 1995년 7월 1일부터 8월 31일까지 3시간 간격의 실시간 WRF 대기 모델결과를 이용하여 두 달간 실시간 과거재현(hindcast) 모델링을 수행하였다. 모델 수행에 사용한 WRF 모델결과는 기온, 기압, 단파복사, 바람, 상대 습도 등이다.
본 연구에서는 3차원 고해상도 해양순환모델을 이용하여 1995년 발생한 씨프린스호 사고 당시의 남해의 해양순환을 모사하고 부표추적을 통하여 유출유의 이동양상을 재현하였다. 더불어 각각 다른 외력을 고려하는 방법으로 바람 및 조류, 해류가 유출유의 이동 및 확산에 미치는 영향을 검토하였다.
수평격자 크기는 1/108°로 약 1 km의 공간해상도를 가진다. 연직격자는 총 20개 층으로 설정하였고 S-좌표계를 이용하며 해표면 근처 격자의 해상도를 증가시켜 주었다. 모델에 입력된 수심자료는 한국해양연구원의 30초 간격의 수심자료이다(서 2008).
1995년 7월 1일부터 8월 31일까지 3시간 간격의 실시간 WRF(Weather Research and Forecasting) 대기모델 자료를 이용하여 씨프린스호 사고 당시의 해수유동을 모사하였고 부표추적을 통하여 유출유의 이동확산 분포를 계산하였다. 유출유의 이동 및 확산에 미치는 영향을 알아보기 위하여 외력으로 해류 및 조석, 바람을 모두 고려한 경우(CASE CTW)와 해류와 조석(CASE CT), 해류와 바람(CASE CW), 조석과 바람(CASE TW)만을 포함하는 총 4가지 경우를 계산하였다.
해표면에서의 염분은 증발량과 강우량의 차이 외에 본 모델에서 고려하지 못한 강 유입 등의 염분에 영향을 미치는 다른 요인들을 포함하기 위해 1/4° 간격의 GDEM(Generalized Digital Environmental Model, http://www.usgodae.org/ftp/outgoing/static/ocn/gdem/)의 해표면 염분 자료를 복원(restoring)하는 방법으로 모델 결과를 보정하며 복원시간 간격은 30일 이다.

대상 데이터

개방경계에 입력되는 조석자료는 Oregon대학에서 제공한 1/12° 간격의 조석 모델결과(OTIS Regional Tidal Solutions) 자료를 이용하였으며 M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1, Q1, Mf, Mm 총 10개 분조를 고려하였다.
계산에 필요한 대기 강제력은 1/2° 간격의 ECMWF(European Centre for Medium Weather Forecast)자료 중 1999~2000년 자료를 월 평균하여 사용한다.
(2001)의 ADCP계류 관측결과와 모델결과를 비교한 그림이다. 관측결과는 Fig. 1에 표시한 총 6개의 정점에서 1999년 5월부터 10월까지 유속 시계열 자료를 분석하여 구한 것이고 모델은 5년 6개월의 모델 안정화 계산 중 관측과 동일한 지점에서 마지막 1달의 유속계산 결과를 분석한 것이다. 평균해류는 관측과 모델의 각 기간별 유속을 시간 평균한 것이다.
그리고 해류와 관련된 해수면 변위, 2차원 유속, 3차원 유속 및 수온, 염분은 Cho et al. (2009)의 1/10° 간격의 북서 태평양 광역 모델결과 중 1999~2000년 자료를 월평균 하여 사용하였다.
모델 영역은 동경 125~129.5°, 북위 33~35.5°로 제주도 및 남해의 대한해협 일부 영역을 포함한다(Fig. 1).
연직격자는 총 20개 층으로 설정하였고 S-좌표계를 이용하며 해표면 근처 격자의 해상도를 증가시켜 주었다. 모델에 입력된 수심자료는 한국해양연구원의 30초 간격의 수심자료이다(서 2008).
본 연구에서는 1995년 발생한 씨프린스호 사고를 대상으로 바람 및 조석뿐만 아니라 해류를 동시에 포함하는 3차원 고해상도 복합 해양순환 모델링을 수행하고 수치 부표추적 계산을 통해 바람 및 조석, 해류 각각의 성분이 유류확산 및 이동에 미치는 영향을 고찰한다. 연구대상 해역인 남해와 대한해협부근은 조류와 해류가 거의 같은 크기로 존재하는 해역으로 복합 해양순환 모델링의 효과를 검토하는데 있어 적절한 해역이라 할 수 있다.

데이터처리

모델결과를 검증하기 위해 모델에 의해 계산된 수온 및 조류, 해류를 관측 값과 비교하였다. Fig.

이론/모형

해표면에서의 열·염분 및 운동량 교환은 Fairall et al.(1996)의 Bulk 식을 이용하여 계산한다. 계산에 필요한 대기 강제력은 1/2° 간격의 ECMWF(European Centre for Medium Weather Forecast)자료 중 1999~2000년 자료를 월 평균하여 사용한다.
3차원 유속과 수온·염분은 Marchesiello et al. (2001)의 방사경계 조건을 사용하여 계산한다.
개방 경계 조건으로 해수면 변위는 Chapman (1985) 조건, 수심 평균된 2차원 유속은 Flather (1976) 방사(Radiation) 경계조건을 사용한다. 3차원 유속과 수온·염분은 Marchesiello et al.
본 연구에서 사용한 해양순환모델은 ROMS(Regional Ocean Modeling System) version 3.4이다(http://www.myroms.org/). 모델 영역은 동경 125~129.
연직 확산계수는 Mellor-Yamada 난류확산 모형(Mellor and Yamada 1982)을 이용하여 계산되며 수평 확산계수는 Smagorinsky (1963) 식으로 계산된다.

성능/효과

김 등 (1999)과 해양수산부 (2002)에 따르면 실제 유출유는 사고해역인 여수 일대는 물론 7월 28일 경에는 통영거제 해역을 지나 부산 수영만과 울산, 포항 해역까지 약 127 마일 해상을 오염시킨 것으로 보고되었다. CASE CTW 결과 또한 일부 부표가 7월 29일 거제도로부터 동쪽으로 약 20 km 떨어진 해상을 지나 7월 30일에는 부산 연안에 가깝게 접근하고 이후 대부분의 부표가 서수도를 통하여 부산 동해로 유입되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 CASE CTW는 부산 및 포항, 울산 등 동해안에서 발견된 유출유의 분포를 설명할 수 있는 모델결과로 해석된다.
그림에서 붉은 색 숫자는 그림영역 내에 존재하는 부표의 개수를 나타낸다. CASE CTW 경우 사고초기 바람의 영향으로 동쪽으로 이동하던 부표들이 바람이 약해지기 시작하는 7월 27일 이후 대마난류의 영향으로 일부 부표가 북동류의 흐름을 따라 대한해협의 서수도로 이동하는 것으로 나타났다(Fig. 6). 7월 30일 이후에는 다시 강해지는 남풍의 영향으로 동쪽으로의 부표의 이동을 가속화시켜 서수도를 통과하는 부표의 개수가 증가하며 8월 3일 이후 투입한 대부분의 부표가 대한해협 서수도를 통해 모델 영역을 빠져나간다.
CASE CTW의 경우 7월 31일의 거제도 동쪽 약 20 km 해상에 표시한 유출유 패치 분포와 부표의 위치가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 다만 모델에서 부표가 북동쪽으로 더 멀리 이동하여 동해로 유입된 것으로 나타난다.
CASE CW의 경우 전체적인 부표의 이동양상은 CASE CTW와 유사하며 7월 28일 이후 북동쪽으로 방향을 바꾼 부표들이 대마난류 주축을 따라 대한해협 서수도 쪽으로 빠르게 이동하는 것으로 나타났다(Fig. 9). 그러나 CASE CTW(Fig.
결론적으로 대한해협 서수도를 향하는 대마난류는 유출유를 한국 연안 쪽으로 이동시키는 역할을 하는 것으로 사료되며 조류는 오염물질의 수평확산에 큰 영향을 미치는 요인임을 확인할 수 있었다. 따라서 오염물질의 정확한 이동양상을 재현하기 위해서는 조석과 바람, 해류 등 다양한 외력을 모두 포함하고 동시에 각 요인의 상호작용까지 고려할 수 있는 복합 해양순환 모델링이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
해양수산부 (2002)의 유류오염 확산도는 좌초 해역을 중심으로 7월 24일부터 7월 31일까지 매일 해양경찰청 헬리콥터를 이용하여 이동하는 기름띠를 찾아 목측한 결과를 해도에 표시한 그림이다. 따라서 모델결과와의 직접 비교는 다소 무리가 있을 수 있으나 유출유의 확산 범위 및 이동 양상을 비교하기에는 충분할 것으로 판단된다.
모델에 의해 계산된 여름과 겨울의 수온분포는 GDEM의 수온 값과 비교한 결과 남해 내만 및 연안 부근을 제외하고는 전반적으로 GDEM의 수온 기후 값을 잘 재현하는 것으로 나타났다. 모델에 의해 재현된 조류 타원 또한 ADCP계류 관측결과와 비교할 때 장·단축의 평균오차가 각각 1 cm/s, 0.
모델에 의해 재현된 조류 타원 또한 ADCP계류 관측결과와 비교할 때 장·단축의 평균오차가 각각 1 cm/s, 0.6 cm/s이고 장축의 기울기도 최대 17°의 오차를 나타냈다.
모델에 의해 재현된 주요 4대 분조(M₂, S₂, K₁, O₁)의 조류타원은 거의 모든 정점에서 관측과 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. M₂분조의 경우 S1정점에서 장축의 기울기에서 약 9°의 차이를 보였지만 장·단축의 길이는 일치하였다.
이러한 결과로 부터 조류는 남해에서 오염물질의 수평 확산에 영향을 미치는 주요한 요인이 될 수 있음을 확인할 수 있다. Teague et al.
8월의 경우 2 m 깊이에서는 전반적인 수온 상승으로 인해 대마난류의 존재를 확인할 수 없지만 50 m 깊이에서 17°C 이상의 등수온선이 대마난류의 흐름을 따라 제주도 이남에서 대한해협 서수도까지 이어져 있는 것을 확인할 수 있으며 GDEM의 수온분포도 유사한 특징을 나타낸다. 전체적으로 2월과 8월 모두 모델은 GDEM 기후 값과 유사한 수온 분포를 재현한 것으로 판단된다.

후속연구

결론적으로 대한해협 서수도를 향하는 대마난류는 유출유를 한국 연안 쪽으로 이동시키는 역할을 하는 것으로 사료되며 조류는 오염물질의 수평확산에 큰 영향을 미치는 요인임을 확인할 수 있었다. 따라서 오염물질의 정확한 이동양상을 재현하기 위해서는 조석과 바람, 해류 등 다양한 외력을 모두 포함하고 동시에 각 요인의 상호작용까지 고려할 수 있는 복합 해양순환 모델링이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 이러한 효과를 포함하지 않고 단순히 투입된 입자가 해수유동에 의해 이동되고 확산되는 양상을 파악하였다. 따라서 화학적 풍화작용에 따른 유출 유류의 특성 변화까지 고려할 수 있는 입자 추적 계산 방법을 도입하여 유류 확산 예측 연구에 적용하는 것이 향후 수행할 후속 연구과제이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	취송류의 해표면 유속을 계산하거나 조류와 취송류를 독립적으로 계산한 후 서로 더해주는 방법을 사용하는 확산 예측 모형은 무엇을 전제로 하는가?	또한 대부분의 예측 모형에서는 신속한 계산을 위해 풍속의 일정 값(3%)을 곱하는 방법으로 취송류의 해표면 유속을 계산하거나 조류와 취송류를 독립적으로 계산한 후 서로 더해주는 방법을 사용하여 왔다. 이러한 계산방법으로 특정 해역의 해수의 흐름을 계산하는 것은 조류, 취송류, 해류 등의 각 흐름 성분이 상호 무관하고 독립적이라는 가정이 전제된 것이다.
	조류에 의한 혼합(mixing)의 증가는 해수에 어떤 영향을 미치는가?	그러나 실제 해양에서는 각 성분이 혼재해서 동시에 존재하고 있으며 서로 상호 작용한다. 조류에 의한 혼합(mixing)의 증가는 해수의 밀도 구조를 변화시키고 결국 해류의 크기와 방향에 영향을 미친다(Lee et al. 2011).
	해양에 오염물질이 유입되었을 때 오염물질의 이동 경향은 어떻게 되는가?	해양에 오염물질이 유입되면 초기에는 조류와 같은 비교적 단주기 운동에 의해 이동되고 확산되지만 장기적으로는 해류와 같은 장주기 해수의 유동에 의해 먼 지역까지 이동된다. 따라서 정확한 오염물질의 이동·확산 예측을 위해서는 이러한 현상을 모두 포함하는 해수유동 계산이 선행되어야 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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